中科院电工所葛琼璇团队特稿：磁悬浮列车在双端供电模式下的无速度传感器控制
武汉加油
风雨同行 共克时艰
葛琼璇，中科院电工研究所研究员，博士生导师，国务院特殊津贴专家。中国电源学会变频电源与电力传动专业委员会副主任，北京电力电子学会副秘书长。主要从事高压大功率变流技术及高性能电机牵引传动控制技术研究工作。
先后承担了国家科技支撑、国家 “863”科技攻关、国家重点研发计划等多项重大项目的科研工作。在国内首次成功研制了完全具有自主知识产权的基于VME总线的高速磁悬浮列车牵引控制系统，打破了国外技术封锁，填补了该项技术国内空白。成功研制了国内首台基于IGCT的7.5MVA高压大功率变流器，为单机容量最大的交直交变流器系统。研发了完全自主知识产权的轨道交通牵引系统，在实际工程及线路上得到推广应用，产生了很好的社会和经济效益。
相关成果获得2009年度北京市科技进步一等奖、电工技术学会科技进步一等奖，2010年度国家科技进步二等奖，2013年度北京市科技进步一等奖、电工技术学会科技进步一等奖，目前在国内外核心期刊及国际会议上发表文章逾百篇，申请发明专利及软件著作权四十余项。
孙鹏琨，博士研究生，主要从事长定子直线同步电机的高性能牵引控制技术。
磁悬浮列车实现稳定运行的核心技术在于如何准确获取列车的速度、位置和电机角度。本文针对磁悬浮列车在高速运行时采用并联供电的特殊模式，将旋转电机的扩展反电势原理推广到长定子直线同步电机的控制中，提出了合适的无速度传感器控制策略，并通过半实物仿真平台验证了所提控制策略的可行性。
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180472
常导电磁吸引型磁悬浮列车在低速运行时，可以通过传感器检测定子齿槽和轨道上的定位标志板来确定速度和角度信息，并通过无线传输装置发送给地面的控制系统。但是，列车高速运行时，无线传输转置导致的过长的位置信息获取周期已经无法保证地面控制系统获得准确的动子磁场定向角度以及列车速度，导致列车控制性能变差。因此，有效的解决方式就是采用无速度传感器控制算法，实时观测并计算列车的速度及电机角度，实现对列车高速运行时的稳定控制。
本文根据磁悬浮列车的运行特点及牵引条件设计了一种简单稳定、适用于磁悬浮列车在双端供电模式下的无速度传感器控制算法。
本文将旋转电机的扩展反电势理论应用到长定子直线同步电机的无速度传感器控制中，首先建立了长定子直线同步电机在双端供电模式下的数学模型，然后设计了直线电机在双端供电模式下的扩展反电势观测器；并利用正交锁相环技术估算电机的速度与角度。通过高速磁浮半实物仿真系统的相关试验，验证了该算法的有效性和可行性。
本文在考虑馈电电缆、定子端覆盖部分和未覆盖部分等因素的影响下，建立了长定子直线同步电机在双端供电模式下的数学模型。
与单端供电相比，磁悬浮列车采用双端并联供电模式时，位于线路两端的两台变流器会同时驱动长定子直线电机，电压方程中的输入变量和输出变量增多，数学模型更加复杂。如何从复杂的数学模型中得到扩展反电势，并设计观测器对扩展反电势进行准确估计，是本文的难点和创新点。
根据长定子直线电机在双端供电时的电机电流与变流器电流的关系，通过数学方法建立了合适的扩展反电势观测器，得到扩展反电势的分量，如图1所示。由于扩展反电势的两个分量垂直，可以通过正交锁相环提取扩展反电势中所包含的电机角度信息。
图1 扩展反电势观测器示意图
本文对所提方法进行了鲁棒性分析，结果表明该方法适用于长定子直线同步电机的无速度传感器控制。
图2 实际角度与估算角度对比
图2为实际角度与估算角度的对比图，该图表明本文提出的方法具有较高的准确率。由于磁悬浮列车运行过程中存在换步过程，本文提出在换步过程中对列车两侧的估算角度交替使用，便可实现对磁悬浮列车在两步法模式下的有效控制。
本文针对磁悬浮列车采用的双端并联供电模式，建立了长定子直线同步电机在双端供电模式下的数学模型；基于扩展反电势的基本原理，设计了扩展反电势的观测器。从半实物仿真的结果来看，本文设计的无速度传感器算法，适用于磁悬浮列车的实际工况，具有较好的鲁棒性和较高的准确率，能够实现磁浮列车高速运行时的有效控制，对高速磁浮列车的实际应用有很大的价值。
孙鹏琨, 葛琼璇, 王晓新, 张波. 磁悬浮列车在双端供电模式下的无速度传感器控制[J]. 电工技术学报, 2018, 33(18): 4249-4256. Sun Pengkun, Ge Qiongxuan, Wang Xiaoxin, Zhang Bo. Speed Sensorless Control of Maglev Train with Double-End Power Supply. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(18): 4249-4256.